분진 폭발성 분체에는 언제나 서로 연결된 세 가지 요소, 즉 구역 구분, 폭발성 분위기와 점화원의 방지, 그리고 필요한 경우 폭발을 제한하는 구조적 조치로부터 보호 콘셉트가 개발됩니다. 어떤 조합이 적합한지는 안전기술적 물질 데이터, 공정, 장치 크기, 설치 장소, 전체 설비 연계에 따라 달라집니다.

구역 구분만으로는 완전한 방폭이 되지 않습니다. 다만 이는 해당 구역에서 어떤 기기와 보호 시스템을 사용할 수 있는지를 결정합니다. 불활성화는 폭발성 분위기의 발생을 방지할 수 있습니다. 반면 내압성, 내폭압충격 또는 압력방출형 장치는 모든 예방 조치에도 불구하고 폭발이 발생하는 경우 그 영향을 제한합니다.

분진용 구역 콘셉트

존 20은 공기 중 가연성 분진 구름 형태의 폭발성 분위기가 지속적으로, 장시간 동안 또는 자주 존재하는 구역을 말합니다. 대표적인 예로는 혼합기, 사일로, 분쇄기, 건조기, 필터, 사이클론, 분진이 흐르는 이송 배관의 내부가 있습니다. 존 21은 정상 운전 중 위험한 폭발성 분진 분위기가 이따금 발생할 수 있는 경우입니다. 이는 흔히 충전, 배출, 충전, 시료 채취 지점, 그리고 개방되어 있거나 완전히 밀폐되지 않은 이송 지점의 직접적인 구역에 해당합니다. 존 22는 정상 운전 중 위험한 분진 분위기가 발생하지 않거나 단시간만 발생하는 구역을 말하며, 예를 들어 드문 누출, 이상 상황, 또는 퇴적된 분진의 비산이 이에 해당합니다. 실제 구역 경계는 방출, 분진 특성, 기밀성, 흡입, 세척, 공기 흐름, 공간 형상을 기준으로 정해야 합니다.

존 20에는 대개 카테고리 1D 기기가 필요합니다. 존 21에는 카테고리 1D 또는 2D 기기가 허용되며, 존 22에는 카테고리 1D, 2D 또는 3D 기기를 사용할 수 있습니다. 이러한 요구사항은 전기 설비뿐 아니라 샤프트, 실(seal), 베어링, 혼합 도구, 플랩, 로터리 밸브, 이송기와 같은 비전기적 부품에도 마찬가지로 적용됩니다. 카테고리 1D는 분진 분위기에 대한 매우 높은 보호 수준에 해당하며 드문 운전 이상 상황에서도 효과가 유지되어야 합니다.

불활성화 솔루션

불활성화는 예방적 보호 조치입니다. 적합한 불활성가스는 공정 공간의 산소 비율을 폭발이, 그리고 물질 시스템과 가스에 따라서는 화재까지도 더 이상 발생하거나 확산될 수 없는 값으로 낮춥니다. 이를 위한 기준이 되는 산소농도한계(국제적으로 Limiting Oxygen Concentration으로 불림)는 제품, 불활성가스, 조건에 따라 달라집니다. 이는 관련 온도, 압력, 수분, 입자 조건에서 구체적인 분진-불활성가스 시스템에 대해 결정해야 합니다. CEN/TR 15281은 불활성화를 폭발과 화재를 방지하는 조치로 명시적으로 다룹니다.

질소는 많은 유기 분진과 화학 분체에 가장 흔히 사용되는 불활성가스입니다. 널리 구할 수 있으며 다양한 물질 시스템에 적합합니다. 이산화탄소는 특정 응용에서 경제적인 대안이 될 수 있지만, 제품 및 소재 적합성을 검토한 뒤에만 사용해야 합니다. 알루미늄, 마그네슘, 티타늄, 지르코늄과 같은 반응성 금속 분체의 경우 질소, 이산화탄소 또는 아르곤에 대한 일반적인 권장은 허용되지 않습니다. 이러한 금속은 특정 가스와 반응하거나 고온에서 반응할 수 있습니다. 따라서 불활성가스의 선택은 구체적인 반응성, 온도, 입도, 수분, 가능한 소화 또는 분해 반응을 근거로 이루어져야 합니다.

배치 공정에는 흔히 진공-압력교번 불활성화가 사용됩니다. 이때 내진공성 용기를 배기한 뒤 불활성가스로 채웁니다. 이 과정은 산소 함량이 허용 한계값 아래로 내려갈 때까지 반복됩니다. 내진공성이 없는 장치나 연속 공정에는 유통식 또는 퍼지식 불활성화를 사용할 수 있습니다. 정해진 불활성가스 흐름이 먼저 공기를 치환하고, 운전 중에는 누출, 투입에 의한 공기 유입 또는 배출 시 가스 교환을 보정합니다. 약간의 불활성가스 양압은 공기 유입을 줄일 수 있지만, 이는 허용 운전 압력, 기밀성, 안전 콘셉트와 부합해야 합니다.

산소 측정, 경보 한계, 인터록은 안전하게 불활성화된 설비의 필수 구성요소입니다. 측정 지점은 대표성이 있어야 하며, 대형이거나 복잡한 장치에는 여러 측정 지점이 필요할 수 있습니다. 센서 개수, 필요한 이중화, 기능안전 수준은 위험성 평가를 기준으로 정해집니다. 항상 센서 두 개, 특정 SIL 값, 또는 산소농도한계보다 몇 부피퍼센트 낮은 고정된 간격과 같은 일률적인 규정은 구체적인 안전성 입증 없이는 충분하지 않습니다.

내압성 및 내압충격성 구조

내폭성 기기는 파열되거나 주변에 위험한 영향을 미치지 않고 내부 폭발을 견디도록 제작됩니다. EN 14460은 내폭성 기기에 대한 요구사항을 규정합니다. 설계는 예상되는 폭발 압력을 근거로 하며 용기 형상, 용적, 소재, 온도, 압력, 연결부, 실(seal), 가능한 하이브리드 혼합물을 고려합니다.

내폭압 구조에서는 장치를 관련 최대 폭발압력에 맞추어 설계합니다. 이와 달리 내폭압충격 구조에서는 용기가 파손되지 않고 외부로 위험한 결과가 발생하지 않는 한 영구 변형이 허용될 수 있습니다. 이 용어들은 실무에서 흔히 부정확하게 사용됩니다. 따라서 허용 압력 등급, 예상되는 폭발 하중, 사고 이후 재사용에 대한 요구사항은 프로젝트별 안전 콘셉트에서 명확하게 정해야 합니다.

내폭압충격 구조는 압력방출과 결합하여 축소된 폭발압력에 맞춘 구조와 자동으로 동일한 것은 아닙니다. 압력방출은 축소된 폭발압력 pred를 제한할 수 있지만, 그 효과는 방출 면적, 개방 압력, 용기 용적, 분진 특성값, 형상, 배관 길이, 가능한 화염 확산에 따라 달라집니다. 압력방출 시스템의 설계는 관련 규칙에 따라 이루어져야 하며 안전한 방출 구역을 고려해야 합니다. 실내 설치의 경우 무화염 방출이나 그 밖의 보호 콘셉트가 필요할 수 있습니다.

폭발억제 시스템은 압력 또는 화염 센서를 통해 폭발의 시작을 감지하고 적합한 소화제를 장치 내부로 투입합니다. 이를 통해 압력 상승을 제어 가능한 수준으로 제한하고자 합니다. 이러한 시스템은 옥외로의 압력방출이 불가능하거나 화염, 압력, 제품의 방출이 용인될 수 없는 경우 특히 중요합니다. 이는 신속한 감지, 적합한 소화제, 정기 점검, 연결된 부품의 방폭 기술적 분리를 필요로 합니다.

구조 방식과 무관하게 연결된 설비 부분의 분리가 흔히 필요합니다. 분리가 없으면 압력과 화염이 배관이나 이송 장치를 통해 사일로, 필터, 그 밖의 장치로 번질 수 있습니다. 가능한 시스템으로는 방폭 기술적으로 적합한 체크 플랩, 급속 차단 게이트, 방폭 밸브, 소화제 배리어 또는 인증된 로터리 밸브가 있습니다. 선택한 장치는 실제 분진폭발등급, 배관 형상, 처리량, 압력 조건, 설치 위치에 적합해야 합니다.

통합 보호 콘셉트

실무에 적합한 콘셉트는 먼저 폭발을 방지하고 그다음에야 그 영향을 제한한다는 원칙을 따릅니다. 첫 번째 보호 단계는 예를 들어 밀폐형 공정 운영, 분진 방지 또는 불활성화를 통한 폭발성 분위기의 제한 또는 방지입니다. 두 번째 보호 단계는 적합한 기기 카테고리, 온도 제한, 접지, 등전위 결합, 이물질 관리, 유지보수를 통한 유효 점화원의 방지입니다. 세 번째 보호 단계는 압력방출, 억제, 내폭성 설계, 분리를 포함합니다.

모든 설계의 출발점은 안전기술적 물질 데이터입니다. 여기에는 KSt, 최대 폭발압력 pmax, 최소점화에너지, 분진 구름과 분진층의 최소점화온도, 입도 분포, 수분, 전기전도도, 산소농도한계, 필요한 경우 하이브리드 혼합물 데이터가 포함됩니다. 보호 전략은 정상 운전, 시동, 정지, 충전, 배출, 세척, 유지보수, 예상 가능한 이상 상황을 고려해야 합니다.